过程控制系统的性能是由组成系统的结构、被控对象、检测变送装置、执行器和控制器等各个环节特性所共同决定的。在运行中系统有两种状态：一种是稳态，此时系统没有受到任何外来扰动，同时设定值保持不变，因而被控变量不会随着时间而变化，整个系统处于平稳的工况；另一种是动态，当系统受到外来扰动的影响或者设定值发生改变时，使得原来的稳态遭到破坏，系统中各组成部分的输入、输出量都相继发生变化，被控变量也将偏离原来的稳态值而随时间变化，这时就称系统处于动态过程。经过一段调整时间后，如果系统是稳定的，被控变量将会重新回到稳态值，或者到达新的稳态值，系统又恢复到稳定平衡工况。这种从一个稳态到达另一个稳态的历程称为过渡过程。过程控制系统的过渡过程，实质上就是控制作用不断克服扰动作用的过程。当扰动作用与控制作用这一对矛盾得到统一时，过渡过程也就结束了，系统又达到了新的平衡状态。

过程控制系统的稳态是暂时的、相对的、有条件的，而动态才是普遍的、绝对的、无条件的。扰动作用会不断地产生，控制作用就要不断克服扰动的影响，从而使控制系统经常处于动态过程中。显然，要评价一个过程控制系统的工作质量，只看稳态是不够的，还应该考核动态过程中其被控变量随时间变化的情况。因此，研究系统的动态过程对分析和改进控制系统具有很重要的意义，因为它直接反映控制系统质量的优劣，与生产过程中的安全及产品的产量、质量有着密切的联系。过程控制系统性能的评价指标可概括如下：

（1）系统必须是稳定的；

（2）系统应能提供尽可能好的稳态调节（稳态指标）；

（3）系统应能提供尽可能好的过渡过程（动态指标）。

稳定是系统性能中最重要、最根本的指标，只有在稳定的前提下，才能讨论系统稳态和动态指标。控制系统性能指标是根据生产工艺过程的实际需要来确定的，特别需要注意的是，不能不切实际地提出过高的控制性能指标要求。

过程控制系统的控制性能指标是衡量系统控制品质优劣的依据，又称为质量指标（或品质指标）。根据分析方法的不同，控制性能指标也有很多形式，通常主要采用两类性能指标：单项性能指标和综合控制指标。

1.单项性能指标

由上述分析可知，过程控制系统在受到外来扰动作用时，被控变量应平稳、迅速和准确地趋近或恢复到设定值。图1-4是满足此要求的定值控制系统和随动控制系统在扰动或设定值r阶跃输入作用下的典型过渡过程响应曲线。

图1-4　扰动或设定值r阶跃输入作用下典型过渡过程响应曲线

（a）扰动作用；（b）设定值改变作用

单项性能指标是在时间域上从满足稳定性、快速性和准确性的基本要求出发，来评价一个原处于稳态的过程控制系统在单位阶跃输入作用下的过渡过程，即单项性能指标是以原处于稳态的系统在单位阶跃输入作用下被控变量的衰减振荡曲线来定义的。通常用如下4个指标来评定，这些控制指标仅适用于衰减振荡过程。

1）衰减比n和衰减率ψ

衰减比是控制系统的稳定性指标，用于表示振荡过程的衰减程度，其定义是过渡过程曲线上相邻同方向2个波峰的幅值之比。在图1-4中，若用y1表示第一个波的振幅，y3表示同方向第二个波的振幅，则衰减比为

衡量振荡过程衰减程度的另一个指标是衰减率，它是指经过1个周期后，波动幅度衰减的百分数。以图1-4为例，衰减率可表示为

习惯上用n∶1表示衰减比，若n＜1，表明过渡过程是发散振荡，系统处于不稳定状态；若n＝1，则过渡过程是等幅振荡，系统处于临界稳定状态；若n＞1，则过渡过程是衰减振荡，n越大，系统越稳定。为保持足够的稳定裕度，衰减比一般取4∶1～10∶1，这样，大约经过2个周期，系统就能趋近于新的稳态值，对应的衰减率为75%～90%。通常，希望随动控制系统的衰减比为10∶1，定值控制系统的衰减比为4∶1。而对于少数不希望有振荡的过渡过程，则需要采用非周期的形式，因此，其衰减比要视具体被控对象的不同来选取。

2）超调量σ与最大动态偏差e max

超调量和最大动态偏差表征在控制过程中被控变量偏离参比变量的超调程度，是衡量过渡过程动态精确度（即准确性）的动态指标，同时也反映了控制系统的稳定性。

作为衡量过渡过程最大偏离程度的一项指标。对于图1-4（a）所示的定值控制系统，过渡过程的最大动态偏差是指在阶跃扰动下，被控变量第一个波的峰值与新稳态值y（）之差，即e max＝y1。

最大动态偏差占新稳态值的百分数称为超调量。对于二阶振荡过程，超调量与衰减率有严格的对应关系。以图1-4为例，超调量可表示为

(www.daowen.com)

在实际工作中，最大动态偏差不能超过工艺所允许的最大值。例如，对于某些工艺要求比较高的生产过程（如存在爆炸极限的化学反应），就需要限制最大动态偏差的允许值；同时考虑到扰动会不断出现，偏差有可能是叠加的，就更需要限制最大动态偏差的允许值。因此，必须根据工艺条件确定最大动态偏差或超调量的允许值。

3）稳态误差e ss

稳态误差也称为余差，是指过渡过程结束后，被控变量新稳态值与设定值之间的差值，它是衡量控制系统稳态准确性的指标。以图1-4为例，稳态误差可表示为

4）调节时间t s和振荡频率f

调节时间又称为过渡过程时间，表示控制系统过渡过程的长短，也就是控制系统在受到阶跃外作用后，被控变量从原稳态值达到新稳态值所需要的时间。严格地讲，控制系统在受到外作用后，被控变量完全达到新的稳态值需要无限长的时间，但是这个时间在工程上是没有意义的。因此，工程上用“被控变量从过渡过程开始到进入稳态值附近±5%或±2%范围内并且不再超出此范围时所需要的最小时间”作为过渡过程的调节时间t s。调节时间越短，表示控制系统的过渡过程越快，即使扰动频繁出现，系统也能适应。

振荡频率是反映系统调节快速性的指标，相同衰减率条件下，振荡频率f与调节时间t s成反比。

必须说明，以上这些性能指标在不同的控制系统中，其重要性是不同的，而且相互之间又有着内在的联系，其中有些指标相互制约，要求同时严格满足这几个控制指标是很困难的。因此，应根据工艺生产的具体要求分清主次，区别轻重，优先保证主要的控制指标。

2.综合控制指标

以上介绍的单项性能指标分别代表了系统某一个方面的性能。衰减比是描述系统稳定性的，最大动态偏差和稳态误差是分别描述动态和稳态的精确度（即准确性）的，调节时间则反映了系统的控制速度（即快速性）。这些指标往往相互影响、相互制约，难以同时满足要求。要对整个过程控制系统的过渡过程作出全面评价，一般采用综合控制指标。

综合控制指标又称为偏差的积分性能指标，常用于分析系统的动态响应性能，越小说明系统的动态响应性能越好。图1-5为误差积分示意图。常用的积分表达式有以下4种。

图1-5　误差积分示意图

（1）误差积分表达式为

（2）绝对误差积分表达式为

（3）平方误差积分表达式为

（4）时间与绝对误差乘积积分表达式为

选用不同的积分表达式作为目标函数则意味着控制的侧重点不同。例如，平方误差积分着重于抑制过渡过程中的大误差；而时间与绝对误差乘积积分则着重惩罚过渡过程拖得时间太长。人们可以根据生产过程的要求加以选用。

综合控制指标有一个缺点，它不能保证控制系统具有合适的衰减率，而这是人们首先关注的指标。所以综合控制指标往往不单独使用，要结合单项性能指标一起使用，作为衡量控制系统性能的指标。

过程控制系统控制品质的好坏，取决于组成控制系统的各个环节，特别是被控对象（过程）的特性。自动控制装置应按被控对象的特性加以选择和调整，才能达到预期的控制品质。如果被控对象和自动控制装置两者配合不当，或在过程控制系统运行过程中自动控制装置的性能或被控对象特性发生变化，都会影响到过程控制系统的控制品质，这些问题在控制系统的设计运行过程中应该充分注意。